发明内容
本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种雷达及车辆,能够实现在0°~180°视场角范围内对目标角度进行测量的同时,雷达的剖面高度低、测量精度较高和成本较低。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种雷达,包括发射天线组件、第一接收天线组件、第二接收天线组件和射频芯片。所述发射天线组件包括发射天线和第一介质基板,所述发射天线设置于所述第一介质基板;所述第一接收天线组件包括第一接收天线和第二介质基板,所述第一接收天线设置于所述第二介质基板;所述第二接收天线组件包括第二接收天线和第三介质基板,所述第二接收天线设置于所述第三介质基板;所述第二介质基板和所述第三介质基板分别位于所述第一介质基板相对的两端,并且所述第二介质基板和所述第三介质基板均位于所述第一介质基板的同一侧,所述第二介质基板与所述第一介质基板间具有第一夹角,所述第三介质基板与所述第一介质基板间具有第二夹角,所述第一接收天线的接收视场角和所述第二接收天线的接收视场角叠加后大于或等于180°;所述射频芯片分别与所述发射天线、第一接收天线和第二接收天线连接。
可选的,所述第一介质基板的第一端与所述第二介质基板的一端连接,所述第一介质基板的第二端与所述第三介质基板的一端连接。
可选的,所述发射天线的数量乘以所述第一接收天线的数量所得的数值大于或者等于二,所述发射天线的数量乘以所述第二接收天线的数量所得的数值大于或者等于二。
可选的,所述发射天线、所述第一接收天线和所述第二接收天线间均相互平行。
可选的,所述发射天线的数量大于或者等于两个,所有所述发射天线均位于同一平面,且每个所述发射天线间的间隔距离相等;
所述第一接收天线的数量大于或者等于两个,所有所述第一接收天线均位于同一平面,和/或,所述第二接收天线的数量大于或者等于两个,所有所述第二接收天线均位于同一平面。
可选的,每两个相邻的所述第一接收天线间间隔的距离之和与每两个相邻的所述发射天线间间隔的距离满足等式:cos(180°-α)*D=a,每两个相邻的所述第二接收天线间间隔的距离之和与每两个相邻的所述发射天线间间隔的距离满足等式:cos(180°-β)*D=b;
其中,α表示所述发射天线所在的平面与所述第一接收天线所在的平面间的夹角,β表示所述射天线所在的平面与所述第二接收天线所在的平面间的夹角,D表示两个相邻的所述发射天线间间隔的距离,a表示每两个相邻的所述第一接收天线间间隔的距离之和,b表示每两个相邻的所述第二接收天线间间隔的距离之和。
可选的,所述射频芯片设置于所述第一介质基板。
可选的,所述第一介质基板与所述第二介质基板间的第一夹角与所述第一介质基板与所述第三介质基板间的第二夹角相等。
可选的,所述的雷达还包括馈电传输线和阻抗变换器,所述发射天线、所述第一接收天线和所述第二接收天线与所述射频芯片均通过馈电传输线连接,所述馈电传输线与所述发射天线、所述第一接收天线和所述第二接收天线的连接处均设置有阻抗变换器。
为解决上述技术问题,本发明实施例采用的另一个技术方案是:提供一种车辆,包括如上述所述的雷达。
本发明实施例的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明实施例通过将发射天线设置在第一介质基板,第一接收天线设置在第二介质基板,第二接收天线设置在第三介质基板,在第一介质基板和第二介质基板设置第一夹角,在第一介质基板和第三介质基板间设置第二夹角,通过叠加第一接收天线满足角度测量要求的视场角范围和第二接收天线满足角度测量要求的视场角范围,进而实现雷达在0°~180°的视场角范围内对目标进行较高精度角度测量的同时,雷达剖面高度更低,体积更小,解决了传统两个雷达拼接方式剖面高度较高和为了满足低剖面高度的需求而使得测角精度较低的问题;发射天线均设置在第一介质基板的布置方式,使得第一接收天线和第二接收天线可共用发射通道,在不增加天线数量和其它设备的情况下,提高了雷达的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的雷达的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的雷达的结构示意图;
图3是传统两个雷达拼接方式的雷达和本发明实施例提供的雷达的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的雷达中发射天线、第一接收天线和第二接收天线间形成的虚拟阵列的示意图;
图5是本发明实施例提供的雷达中第一接收天线和发射天线间形成的虚拟阵列的示意图;
图6是本发明实施例提供的雷达的结构示意图;
图7是本发明实施例提供的雷达中,当目标所在方向与第一接收天线的法线方向间夹角为0°时第一接收天线波束的仿真图;
图8是本发明实施例提供的雷达中,当目标所在方向与第一接收天线的法线方向间夹角为45°时第一接收天线波束的仿真图;
图9是本发明实施例提供的雷达中,当目标所在方向与第一接收天线的法线方向间夹角为-45°时第一接收天线波束的仿真图;
图10是本发明实施例提供的雷达中,当存在两个目标时,一目标所在方向与第一接收天线的法线方向间夹角为10°,另一目标所在方向与第一接收天线的法线方向间夹角为15.6°时第一接收天线波束的仿真图;
图11是对于传统的两个雷达拼接的方式,当存在两个目标时,一目标所在方向与第一雷达板上的接收天线的法线方向间夹角为10°,另一目标所在方向与第一雷达板上的接收天线的法线方向间夹角为15.6°时第一雷达板上接收天线波束的仿真图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面结合附图和具体实施例,对本发明进行更详细的说明。需要说明的是,当元件被表述“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义,本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1,雷达1000包括发射天线组件1、第一接收天线组件2、第二接收天线组件3和射频芯片4,发射天线组件1、第一接收天线组件2和第二接收天线组件3分别与射频芯片4连接,射频芯片4用于发送和接收电磁波,射频芯片4产生的电磁波经发射天线组件1发射出去,雷达1000的探测目标反射的电磁波回波经第一接收天线组件2或第二接收天线组件3接收后进入射频芯片4的接收通道。
对于上述发射天线组件1,发射天线组件1包括发射天线10和第一介质基板11,发射天线10设置于第一介质基板11的第一侧面。
对于上述第一接收天线组件2,第一接收天线组件2包括第一接收天线20和第二介质基板21,第一接收天线20设置于第二介质基板21的第一侧面。
对于上述第二接收天线组件3,第二接收天线组件3包括第二接收天线30和第三介质基板31,第二接收天线30设置于第三介质基板31的第一侧面。
其中,发射天线10的数量乘以第一接收天线20的数量所得的数值大于或者等于二,发射天线10的数量乘以第二接收天线30的数量所得的数值大于或者等于二。发射天线10、第一接收天线20和第二接收天线30之间均相互平行。当发射天线10数量大于或者等于两个时,所有发射天线10并排设置,所有发射天线10间相互平行,所有发射天线10位于同一平面,相邻发射天线10之间的间隔距离为D;当发射天线10数量大于两个时,每两个相邻的发射天线10之间间隔的距离D均相等。当第一接收天线20数量大于或者等于两个时,所有第一接收天线20并排设置,所有第一接收天线20间相互平行,所有第一接收天线20位于同一平面;当第一接收天线20的数量大于两个时,每两个相邻的第一接收天线20之间的间隔距离之和为a。当第二接收天线30数量大于或者等于两个时,所有第二接收天线30并排设置,所有第二接收天线30间相互平行,所有第二接收天线30位于同一平面;当第二接收天线30的数量大于两个时,每两个相邻的第二接收天线30之间的间隔距离之和为b。
需要说明的是,发射天线10、第一接收天线20和第二接收天线30可以是微带天线、波导天线等等。
请参阅图1和图2,背向第一介质基板11的第一侧面的一侧面为第一介质基板11的第二侧面,背向第二介质基板21的第一侧面的一侧面为第二介质基板21的第二侧面,背向第三介质基板31的第一侧面的一侧面为第三介质基板31的第二侧面。第二介质基板21的第二侧面和第三介质基板31的第二侧面均朝向第一介质基板11的第二侧面所朝向的一侧。第二介质基板21和第三介质基板31分别位于第一介质基板11相对的两端,且第二介质基板21和第三介质基板31均位于第一介质基板11的第二侧面所朝向的一侧。第一介质基板11的第一端与第二介质基板21的第二端连接,第一介质基板11的第二端与第三介质基板31的第一端连接,第二介质基板21的第一端相对于第二介质基板21的第二端,第三介质基板31的第二端相对于第三介质基板31的第一端。需要说明的是,第一介质基板11与第二介质基板21和第三介质基板31之间可通过柔性介质基板或其它射频连接器连接,也可通过板对板的连接方式连接。第二介质基板21与第一介质基板11间具有第一夹角,使第一接收天线20所在平面与发射天线10所在平面间夹角为α;第三介质基板31与第一介质基板11间具有第二夹角,使第二接收天线30所在平面与发射天线10所在平面间夹角为β。
每两个相邻的第一接收天线20间间隔的距离之和与每两个相邻的发射天线10间间隔的距离满足等式:cos(180°-α)*D=a,每两个相邻的第二接收天线30间间隔的距离之和b与每两个相邻的发射天线10间间隔的距离满足等式:cos(180°-β)*D=b。
其中,α表示发射天线10所在的平面与第一接收天线20所在的平面间的夹角,β表示发射天线10所在的平面与第二接收天线30所在的平面间的夹角,D表示两个相邻的发射天线10间间隔的距离,a表示每两个相邻的第一接收天线20间间隔的距离之和,b表示每两个相邻的第二接收天线30间间隔的距离之和。
对于上述射频芯片4,射频芯片4设置于第一介质基板11,发射天线10与射频芯片4的发射端口通过馈电传输线连接,第一接收天线20与射频芯片4的接收端口通过馈电传输线连接,第二接收天线30与射频芯片4的接收端口通过馈电传输线连接。需要说明的是,射频芯片4数量不作限制,射频芯片4数量可以为一个,可以为两个,也可以为多个,满足每个射频芯片4之间产生的电磁波本振频率相同即可,当射频芯片4数量大于一个时,射频芯片4之间电性连接。
除此之外,雷达1000还包括阻抗变换器5,每个发射天线10、每个第一接收天线20和每个第二接收天线30与射频芯片4之间的电路设置有一个阻抗变换器5,用于使发射天线10、第一接收天线20和第二接收天线30分别与馈电传输线之间达到阻抗匹配。
当雷达1000探测目标时,射频芯片4产生的电磁波从射频芯片4的发射端经过馈电传输线后到达发射天线10,由发射天线10发射至空间中,目标反射回来的电磁波回波由第一接收天线20和第二接收天线30同时接收。由于第二介质基板21和第一介质基板11间具有第一夹角,使得第一接收天线20所在平面与发射天线10所在平面间夹角α与第一夹角相等,第三介质基板31与第一介质基板11间具有第二夹角,使得第二接收天线30所在平面与发射天线10所在平面间夹角β与第二夹角相等,通过叠加第一接收天线20满足角度测量要求的视场角范围和第二接收天线30满足角度测量要求的视场角范围,可满足雷达1000前方180°视场角范围内目标的角度测量。
请参阅图3,将雷达1000放置在一平面,该平面位于背向第一介质基板的第一侧面的一侧,第一介质基板11与平面平行,第二介质基板21远离第一介质基板11的一端和/或第三介质基板31远离第一介质基板11的一端与平面抵接,此时雷达1000的剖面高度取决于第一介质基板11到平面间的距离H1,假设第二介质基板21和第一介质基板11间的第一夹角等于第三介质基板31与第一介质基板11间的第二夹角,且第二介质基板21沿着第二介质基板21的第一端到第二介质基板21的第二端方向的长度和第三介质基板31沿着第三介质基板31的第一端到第三介质基板31的第二端方向的长度相等,则在第二介质基板21沿着第二介质基板21的第一端到第二介质基板21的第二端方向的长度和第三介质基板31沿着第三介质基板31的第一端到第三介质基板31的第二端方向的长度不变时,第二介质基板21与第一介质基板11间的第一夹角和第三介质基板31与第一介质基板11间的第二夹角越大,第一介质基板11到平面间的距离H1越小,雷达1000的剖面高度可做到越低,但第二介质基板21与第一介质基板11间的第一夹角和第三介质基板31与第一介质基板11间的第二夹角越大,第二介质基板21上的第一接收天线20和第三介质基板31上的第二接收天线30越趋近于设置在同一水平面上,第一接收天线20满足角度测量要求的视场角范围和第二接收天线30满足角度测量要求的视场角范围相加后的视场角范围越小,第二介质基板21与第一介质基板11间的第一夹角大小和三介质基板与第一介质基板11间的第二夹角大小有一定的限制;在第二介质基板21与第一介质基板11间的第一夹角和第三介质基板31与第一介质基板11间的第二夹角不变时,第二介质基板21沿着第二介质基板21的第一端到第二介质基板21的第二端方向的长度和第三介质基板31沿着第三介质基板31的第一端到第三介质基板31的第二端方向的长度越短,第一介质基板11到平面间的距离H1越小,雷达1000的剖面高度可做到越低。在目前使用两个雷达拼接在一起的方式中,包括第一雷达板1001和第二雷达板1002,第一雷达板1001设置有发射天线和接收天线,第二雷达板1002设置有发射天线和接收天线,第一雷达板1001的一端与第二雷达板1002的一端连接,且第一雷达板1001与第二雷达板1002间具有夹角,将拼接后的雷达放置在一平面,第一雷达板1001和第二雷达板1002连接处距离该平面的距离为H2,第一雷达板1001和第二雷达板1002长度不变,第一雷达板1001和第二雷达板1002间夹角越大,H2越小,第一雷达板1001和第二雷达板1002拼接后组成的雷达整体的剖面高度越低;第一雷达板1001和第二雷达板1002间夹角不变,第一雷达板1001和第二雷达板1002长度越小,H2越大,其拼接后组成的雷达整体的剖面高度越低。由于发射天线10单独设置在第一介质基板11,第二介质基板21只需设置第一接收天线20,第三介质基板31只需设置第二接收天线30,使得第二介质基板21沿着第二介质基板21的第一端到第二介质基板21的第二端方向的长度和第三介质基板31沿着第三介质基板31的第一端到第三介质基板31的第二端方向的长度相较于两个雷达拼接在一起的方案更短,使得第二介质基板21与第一介质基板11间的第一夹角和第三介质基板31与第一介质基板11间的第二夹角在满足雷达1000角度测量需求的情况下,雷达1000可以有较低的剖面高度。
利用MIMO技术,发射天线10和第一接收天线20、发射天线10和第二接收天线30可虚拟出天线通道,发射天线10设置在同一平面上,第一接收天线20和第二接收天线30可共用发射通道,在不增加成本的前提下可提升雷达1000的孔径,从而提高雷达1000的探测精度。
为了便于读者理解本发明,下面列举一实施例进行说明:
在一实施例中,发射天线10的数量为六个,第一接收天线20的数量为四个,第二接收天线30的数量为四个,工作频率f=76.5GHz。射频芯片4数量为两个,其中的一个射频芯片4的发射通道和三个相邻的发射天线10通过馈电传输线连接,该射频芯片4的接收通道和四个第一接收天线20通过馈电传输线连接;另一个射频芯片4的发射通道和另外三个相邻的发射天线10通过馈电传输线连接,该射频芯片4的接收通道和四个第二接收天线30通过馈电传输线连接,两个射频芯片4之间电性连接。每两个相邻的第一接收天线20间间隔的距离相等,均为0.5λ(λ为雷达1000工作频段的介质波长),每两个相邻的第一接收天线20间间隔的距离之和a=3*0.5λ=1.5λ,第二介质基板21与第一介质基板11间的第一夹角大小为135°,第一接收天线20所在平面与发射天线10所在平面间夹角α=135°;每两个相邻的第二接收天线30间间隔的距离相等,均为0.5λ,每两个相邻的第二接收天线30间间隔的距离之和b=3*0.5λ=1.5λ,第三介质基板31与第一介质基板11间的第二夹角大小为135°,第二接收天线30所在平面与发射天线10所在平面间夹角β=135°。根据上述等式cos(180°-α)*D=a和等式cos(180°-β)*D=b,代入数值计算:D=a/cos(180°-α)=b/cos(180°-β)≈2.1213λ,发射天线10间的间隔距离D≈2.1213λ。
请参阅图4,所有发射天线10设置在同一平面,第一接收天线20和第二接收天线30可共用发射通道。所有发射天线10组成发射阵列101,所有第一接收天线20组成第一接收阵列201,发射阵列101和第一接收阵列201形成第一虚拟阵列201a,共形成二十四个虚拟通道。所有第二接收天线30组成第二接收阵列301,发射阵列101和第二接收阵列301形成第二虚拟阵列301a,共形成另外二十四个虚拟通道。请参阅图5,第一虚拟阵列201a的探测口径大小为1.5λ*6=9λ,同理第二虚拟阵列301a的探测口径大小为1.5λ*6=9λ。
请参阅图6,将雷达1000放置在一水平面上,该平面位于背向第一介质基板11的第一侧面的一侧,第一介质基板11与该平面平行,第二介质基板21的第一端与该平面抵接,第三介质基板31的第二端与该平面抵接。第一介质基板11到该平面间的距离满足大于第一接收天线20间间隔距离之和a在第一介质基板11到该平面方向上的投影的距离a'即可,a'=a*sin(180°-α)=1.5λ*sin(45°),其中λ=f/c,f=76.5GHz,c为光速,c=3*10^8m/s,代入上述等式计算得a'≈4.2mm。
请参阅图7-11,有一目标在雷达1000的探测区域内,当目标所在方向与第一接收天线20的法线方向间夹角为0°时,使用Matlab软件仿真的第一接收天线20的波束波形图如图7所示,当目标所在方向与第一接收天线20的法线方向间夹角为45°时,使用Matlab软件仿真的第一接收天线20的波束波形图如图8和图9所示。雷达1000的DBF波形图主波束最大增益(波束的最高点)方向和期望方向基本重合,雷达1000可准确分辨出目标所在方位;当同时存在两个目标,目标一所在方向与第一接收天线20的法线方向间夹角为10°,目标二所在方向与第一接收天线20的法线方向间夹角为15.6°,使用Matlab软件仿真的第一接收天线的波束波形图如图10所示,雷达1000可以有效区分相隔5.6°的目标。
传统两个雷达拼接的方式,同样使用六个发射天线和八个接收天线,由两个三发四收的MIMO雷达拼接而成,第一雷达板1001和第二雷达板1002上各设置三个发射天线和四个接收天线,第一雷达板1001和第二雷达板1002上的接收天线采用与雷达1000中第一接收天线20之间相同的间隔距离,第一雷达板1001上的接收天线和发射天线间形成十二个虚拟通道,其探测口径大小仅为:0.5λ*(12-1)=5.5λ,当同时存在两个目标,目标一所在方向与第一雷达板1001上的接收天线的法线方向间夹角为10°,目标二所在方向与第一雷达板1001上的接收天线的法线方向间夹角为15.6°,使用Matlab软件仿真的第一雷达板1001上接收天线的波束波形图如图11所示,两个雷达拼接的方式中雷达无法区分相隔5.6°的目标。
本发明实施例的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明实施例通过将发射天线10设置在第一介质基板11,第一接收天线20设置在第二介质基板21,第二接收天线30设置在第三介质基板31,在第一介质基板11和第二介质基板21设置第一夹角,在第一介质基板11和第三介质基板31间设置第二夹角,通过叠加第一接收天线20满足角度测量要求的视场角范围和第二接收天线30满足角度测量要求的视场角范围,进而实现雷达1000在0°~180°的视场角范围内对目标进行较高精度角度测量的同时,雷达1000剖面高度更低,体积更小,解决了传统两个雷达拼接方式剖面高度较高和为了满足低剖面高度的需求而使得测角精度较低的问题;发射天线10均设置在第一介质基板11的布置方式,使得第一接收天线20和第二接收天线30可共用发射通道,在不增加天线数量和其它设备的情况下,提高了雷达1000的测量精度。
本发明还提供车辆实施例,车辆包括上述雷达,对于车辆的具体结构和功能可参阅上述实施例,此处不再一一赘述。
需要说明的是,本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例,但是,本发明可以通过许多不同的形式来实现,并不限于本说明书所描述的实施例,这些实施例不作为对本发明内容的额外限制,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且,上述各技术特征继续相互组合,形成未在上面列举的各种实施例,均视为本发明说明书记载的范围;进一步地,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。